4. lecke. Az ESP mechatronikája

iDevice ikon A lecke célja
Az ESP működési elvének és szerkezeti felépítésének megismerése.

iDevice ikon Követelmények
A hallgató legyen képes
  • saját szavaival megfogalmazni, mi az ESP feladata,
  • felsorolásból kiválasztani, hogyan avatkozik közbe az ESP alulkormányzottság, túlkormányzottság, és fékezés közbeni stabilitásvesztés esetén,
  • ábra alapján azonosítani az ESP-rendszer részegységeit,
  • ábra alapján elmagyarázni a keresztgyorsulás-érzékelő, a kondenzátoros keresztgyorsulás-érzékelő és a perdületszenzor működési elvét.

iDevice ikon Időszükséglet
A tananyag elsajátításához körülbelül 60 percre lesz szüksége.

iDevice ikon Kulcsfogalmak
  • ESP
  • keresztirányú gyorsulás
  • perdülési sebesség,
  • alulkormányzottság,
  • túlkormányzottság,
  • fékezés közbeni stabilitásvesztés,
  • keresztgyorsulás-érzékelő,
  • egyesített keresztgyorsulás és perdületszenzor.

iDevice ikon 4.1 Az ESP feladata
Tevékenység:
  • Fogalmazza meg, mi az ESP feladata!
  • Jegyezze meg, milyen módon befolyásolja az ESP a jármű menettulajdonságait!
  • Az 1. ábra alapján jegyezze meg, mit értünk keresztirányú gyorsulás és perdülési sebesség alatt!
A jármű jó vezethetősége attól függ, hogy olyan nyomvonalat követ-e, amely a lehető legpontosabba igazodik a kormány-elfordítási szöghöz. Ebből a szempontból különösen nagy fontosságúak a jármű oldalirányú dinamikai tulajdonságai.
Ezeket a tulajdonságokat a keresztirányú gyorsulás, és a jármű függőleges tengelye körüli elfordulása, a perdülési sebesség jellemzi. (1. ábra.)



1. ábra A jármű mozgási irányai

A Electronic Stability Program vagy röviden ESP a pályaelhagyásos balesetek számát hivatott csökkenteni, ha a gépkocsi a saját tengelye körül hirtelen elfordul, a kormánymozdulatokra nem megfelelően reagál, akkor elveszti a stabilitását. Az ESP az irányeltérési szögsebességet méri, és ha ez eltér a normálistól, az ESP beavatkozik. Szükségtől függően vagy csak a kerekekre leadott vonóerőt mérsékli, vagy, ha ez kevésnek bizonyulna, egymástól teljesen függetlenül fékezi a megfelelő kerekeket is.

iDevice ikon 4.2 Az ESP működése
Tevékenység:

jegyezze meg, hogyan avatkozik közbe az ESP alulkormányzottság, túlkormányzottság, illetve fékezés közbeni stabilitásvesztés esetén!


Hirtelen irányváltásoknál két dolog történhet a kocsival: vagy az első (2. ábra, bal oldali rész), vagy a hátsó kerekei megcsúsznak (2. ábra, jobb oldali rész). És bár az autók alapvetően hajlamosak valamelyik viselkedésre (alul- vagy túlkormányzottság), többszörös irányváltásnál már nem lehet felkészülni egyértelmű reakcióra. Az ESP ilyenkor avatkozik be.



2. ábra

Ha az autó saját függőleges tengelye körül valamilyen irányba túlzottan, vagy a kelleténél kisebb mértékben elfordul, megfelelő fékműködtetéssel korrigálható a viselkedése. Ha például a fara igyekszik kitörni, azaz a jármű túlkormányzott, a kanyarodási ív külső részén levő első kereket kell fékezni. Ha a jármű alulkormányzott, orra nem akar elfordulni, így az ív belső felén lévő hátsó kereket kell fékezni.
Az sem elképzelhetetlen, hogy fékezés közben veszti el stabilitását az autó, ilyenkor a rendszer nem fékez erőteljesebben, hanem úgy csökkenti az egyes kerekeken a fékerőt, hogy a szükséges irányú és méretű visszatérítő nyomaték létrejöjjön.

Más kérdés, hogy az ESP honnan tudja, hogy merre kellene mennie az autónak. A válasz egyszerű: a vezetőtől, aki a kormány elforgatásával kijelöli az irányt. A számítógépnek azt is tudnia kell, hogy ténylegesen mit csinál a kocsi, ezt keresztgyorsulás, szöggyorsulás-érzékelők, valamint a kerékfordulatszám-szenzorok figyelik.
Ha a járművezető által a kormánykerékkel kijelölt, és a tényleges irány között különbség van, az ESP közbeavatkozik. Ehhez a blokkolásgátló rendszer kiépítettségét használja, amely elektrohidraulikus úton képes egy-egy kerék fékszerkezetét külön is működtetni.

Tevékenység:

az ábra alapján jegyezze meg, milyen egységekből áll az ESP, és azok hol helyezkednek el a járműben!


A rendszer részegységei
  1. ESP-hidraulikus egység
  2. Kerék szögsebesség érzékelők
  3. Kormány szögelfordulás érzékelő
  4. Perdülési sebesség érzékelő
  5. Motorvezérlő egység



3. ábra
forrás: http://www.racq.com.au/__data/assets/image/0017/42245/esp_car3.JPG

Az ESP érzékelői

Kormánykerék-elfordulási szögérzékelő
: ezt az eszközt a 3.3 leckében már bemutattuk.

Keresztgyorsulás-érzékelő

Tevékenység:

a 4. ábra alapján magyarázza el a keresztgyorsulás-érzékelő működését!

A keresztgyorsulás-érzékelő egy állandó mágnesből (1), egy Hall-jeladóból (4), egy csillapítólemezből (3) és egy rugóból (2) áll. A csillapító, a rugó és az állandó mágnes együtt egy mágneses rendszert alkot. Az állandó mágnes, amely össze van kötve a rugóval a csillapítólemez felett szabadon ide-oda lenghet. Ha a gépkocsira keresztgyorsulás is hat, akkor a csillapítólemez az állandó mágnes alatt elmozdul, amely a tömegtehetetlensége miatt késve mozdul el. Mozgás közben a csillapítólemezben örvényáramok keletkeznek, amelyek az állandó mágnessel ellentétes mezőt hoznak létre. Ezáltal az eredő mező gyengülését eredményezik, amely a Hall-feszültség változását okozza (ezt mérjük), amely arányos a keresztgyorsulás nagyságával.




4. ábra


Perdülési sebesség érzékelő: ennek az eszköznek egy lehetséges kialakítását az 1.6 leckében már bemutattuk.

Újabb rendszerekben a két szenzort egy házban egyesítik. Egy nyomtatott áramköri lapra szerelik, így kisebb a helyigényük, illetve pontosabb az egymáshoz képesti helyzetük.


Tevékenység:

az 5. ábra alapján magyarázza el a kondenzátoros keresztgyorsulás-érzékelő működését!


Kondenzátoros keresztgyorsulás-érzékelő: egy kondenzátorlap egy mozgó tömeggel úgy van felfüggesztve, hogy ide-oda tudjon lengeni (5. ábra). Ezt a mozgó lapot két rögzítetten beépített kondenzátorlap szegélyezi. Így két kondenzátor (K1 és K2) keletkezik, amelyek sorba vannak kapcsolva. Az elektródákon keresztül lehet töltést mérni (C1 és C2 kapacitás), melyet a két kondenzátor tárol. Nyugalmi helyzetben mindkét kondenzátor töltése azonos, ha a szenzorra keresztgyorsulás is hat, akkor a tehetetlensége miatt a mozgó lemez elmozdul a gyorsulás irányával ellentétes irányban. Ez az elmozdulás megváltoztatja a lemezek távolságát és ezzel a kondenzátorok töltését, amelyet mérünk.




5. ábra

Tevékenység:

a 6. ábra alapján magyarázza el a perdületszenzor működési elvét!

Perdület szenzor: a keresztgyorsulás érzékelővel egy lapon található, de helyileg elkülönítve. Működése: vezetőcsíkokkal ellátott lengőképes tömeg egy állandó mágneses mező északi és déli pólusa közé van felszerelve (6. ábra). Váltakozó feszültség hozzávezetésével a lengőképes tömeget a vezetőcsíkokkal elmozdítja, a bevezetett váltakozó feszültségnek megfelelően egyenes vonalon, úgy hogy az lengőmozgást végezzen. A jármű megpördülésekor a lengő tömeg tehetetlensége miatt megváltozik az ide-oda mozgás, így a vezetőcsíkok elektromos viselkedése is, amely a mérés alapját képezi.



6. ábra
Forrás: Bosch – gépjárművek menetstabilizáló rendszerei



iDevice ikon Önellenőrző kérdések
1. Fogalmazza meg, mi az ESP feladata!

2. Jelölje meg, hogyan avatkozik közbe az ESP alulkormányzottság esetén!
A kanyarodási ív külső részén levő első kereket fékezi.
A kanyarodási ív belső részén levő első kereket fékezi.
A kanyarodási ív külső részén levő hátsó kereket fékezi.
A kanyarodási ív belső részén levő hátsó kereket fékezi.
Az egyes kerekeket úgy csökkenti a fékerőt, hogy a szükséges irányú és méretű visszatérítő nyomaték létrejöjjön.



3. Jelölje meg, hogyan avatkozik közbe az ESP, ha a jármű fékezés közben veszti el stabilitását!
A kanyarodási ív külső részén levő első kereket fékezi.
A kanyarodási ív belső részén levő első kereket fékezi.
A kanyarodási ív külső részén levő hátsó kereket fékezi.
A kanyarodási ív belső részén levő hátsó kereket fékezi.
Az egyes kerekeket úgy csökkenti a fékerőt, hogy a szükséges irányú és méretű visszatérítő nyomaték létrejöjjön.



iDevice ikon
4. Az ábra alapján azonosítsa az ESP részegységeit! Írja be a megfelelő számot a mezőbe!



Kormány szögelfordulás érzékelő
ESP-hidraulikus egység
Motorvezérlő egység
Kerék szögsebesség érzékelők
Perdülési sebesség érzékelő

  

iDevice ikon
5. Az alábbi ábra alapján magyarázza el keresztgyorsulás-érzékelő működését!



iDevice ikon
6. Az alábbi alapján magyarázza el a kondenzátoros keresztgyorsulás-érzékelő működését!



iDevice ikon
7. Az alábbi ábra alapján magyarázza el a perdületszenzor működési elvét!



iDevice ikon Kiegészítő tananyag
1. Az ESP szabályozástechnikája

A határtartományban végzett menetdinamikai szabályozásnak a jármű síkbeli szabadságfokait, hosszirányú sebességet, a keresztirányú sebességet és függőleges tengely körül elfordulási sebességet (perdülési sebességet) uralható határok között kell tartania.

Rendszer- és szabályozásstruktúra

Az ABS- és ABS/ASR rendszer továbbfejlesztett részegységeire épül, és lehetővé teszi az összes kerék nagy dinamikájú, aktív fékezés. A szabályozási körbe bevonja a jármű visekledését is, és a kerekekre ható fék-, vonó- és oldalerőket a mindenkori helyzetnek megfelelően úgy szabályozza, hogy a tényleges viselkedés közeledjen az előírt viselkedéshez.
A motorirányító a CAN- csatlakozásokkal a motor nyomatékát és ezzel a kerekek hajtási csúszását befolyásolja. A menetdinamika szabályozás továbbfejlesztett részegységei a hossz és oldalirányű dinamikus erőket minden egyes keréken választás szerint egyidejileg és igen pontosan tudják szabályozni. (7. ábra)



8. ábra A menetdinamikai szabályzás elvi blokksémája

ESP szabályzó rendszer sematikus ábrázolása (8. ábra):
  • Az érzékelők adják a szabályozási bemenet jeleit
  • Az ESP elektronika – különböző síkokban strukturált szabályzókkal (szabályozási hierarchia) együtt- amely a fölérendelt menetdinamikai szabályzókból és alárendelt csúszásszabályzókból áll.
  • beavatkozó elemek (aktuátor) befolyásolják a fékező- vonó és oldalerőket.



9. ábra. A jármű menetdinamikai szabályozását szolgáló rendszer

2. Az ESP működése jellegzetes jármű forgalmi helyzetekben

Hirtelen kormányzási manőverek és ellenkormányzás


Sávváltások, gyors kormánymozdulatok a következő esetekben merülhet fel:

  • egymás követő szűk kanyarokba történő gyors behajtáskor,
  • hirtelen fellépő akadály kikerülése után gyorsan vissza kell térni a sávba
  • autópályán hirtelen befejezett előzési manővert kell végrehajtani
A következő ábrán két jármű menetviselkedése látható (9. ábra) ESP-vel (2-es számú görbék) és ESP nélkül (1-es számú görbék) egy jobb-bal kanyarkombinációban végzett gyors kormányzás és ellenkormányzás esetén a következő feltételek között:
  • jó tapadási tényező
  • fékezés nélküli manőverezés
  • kezdő sebesség 144 km/h


9. ábra A két jármű menetdinamikája


ESP nélküli gépkocsi (1): Az első hírtelen kormány mozdulat után fennáll a veszélye annak, hogy a gépjármű instabillá váljon. A kormányelfordítás következtében az első kereken a legrövidebb idő alatt igen nagy oldalerők ébrednek, a hátsó kerekeken azonban csak késlelkedve növekszenek az oldalerők. A jármű függőleges tengelye körül befordul jobbra (befordító perdítő nyomaték). A szabályozatlan jármű nem reagál az ellenkormányzásra, vagyis uralhatatlanná válik. A perdülési sebesség és az úszási szög jelentősen megnő, a jármű kisodródik.

ESP-vel felszerelt gépkocsi (2): Az első kormányfordítás után az instabilitás közeledtéhez a rendszer a baloldal első kerék megfékezésével stabilizálja, az ESP esetében ez aktív fékezés, mert a vezető közreműködése nélkül következik be. Ez a beavatkozás lecsökkenti a befelé fordító perdítő nyomatékot. A perdítési sebesség csökken és az úszási szög csak egy korlátozott értéket ér el. Az ellenkormányzás után először a perdítő nyomaték, majd perdülési sebesség hatásiránya megváltozik. Ezután a jobb első kerék fékjének rövid működtetése teljes stabilizálást eredményez. A jármű a kormány elfordítási szögével kijelölt menetirányt követi.


Sávváltás teljes fékezéssel


Ha egy veszélyhelyzet csak későn ismerhető fel, a teljes fékezés nem elegendő ahhoz, hogy a vezető a gépkocsit idejében megállítsa, az ütközés elkerülése érdekében még sávot is kell váltani. A két jármű közül az egyik jármű csak blokkolásgátlóval felszerelt (a 10. ábra felső részén), a másik ESP-vel is fel van szerelve (10. ábra alsó része). Mindkét jármű sebessége 50km/h és síkos úttesten halad. Az ábrán a fekete pontok bójákat jelölnek, a kis négyszögek felborított bójákat, a nagy fekete téglalap pedig egy úton lévő akadály.



10. ábra A két jármű menettulajdonságai
(A kép nagyobb változatát itt találja!)


Az ABS-el felszerelt gépjármű már az első kormánymozdulatnál az úszási szög és a perdítési sebesség olyan nagyságúra növekszik, hogy a vezetőnek a fékezés közben ellenkormányzást kell alkalmaznia. Ezáltal ellentétes irányú úszási szög lép fel és gyorsan növekszik. A vezető ismételt gyors ellenkormányzásra kényszerül. Még éppen sikerül stabilizálni a gépjárművet és az útfelületen maradnia.
Az ESP-vel is szerelt gépjármű, stabil, mert a perdülési sebesség és az úszási szög könnyen kézben tartható értékre csökken. A vezető teljes mértékben tud koncentrálni a kormányzási manőverre, mert a gépjármű stabil marad. Ebből adódóan az ESP-vel szerelt gépjármű fékútja rövidebb, mint amely csak ABS-sel van szerelve.

Többszörös kormányzás és ellenkormányzás, növekvő kormánykerék elfordítással

Több bal- és jobbkanyarból álló kanyarsorozaton áthaladva rendkívül dinamikus, növekvő kormány elfordítással végzett vezetési manőver során különösen jól megmutatkozik az ESP hatásmódja.

ESP nélküli jármű állandó sebesség tartásához folyamatossan növelni kell a motor teljesítményét. Emiatt azonban állandóan növekszik a hajtott kerekek hajtási csúszása is. A kormányzás és ellenkormányzás közötti átváltás közben a hajtási csúszás olyan nagy, hogy a szabályozás nélküli jármű instabillá válik. A következő váltásra a jármű már nem reagál, kisodródik. Megközelítőleg állandó keresztirányú gyorsulás közben erőteljesen növekszik az úszási szög és a perdülési sebesség.
Gépkocsi ESP-vel való manőverezéskor már igen hamar beavatkozik, mert má kezdetkor fenyeget az instabilitás veszélye. Itt ugyan úgy megtörténik a motor beavatkozás, és a kerekek egyenkénti fékezése. Így a jármű stabil marad és követi a kormánymozdulatokat.  A rendszer szabályozza az úszási szöget és a fellépő perdülési sebességet.

Gyorsítás/ lassítás kanyarban

Ha egy kanyar befelé haladva szűkül, vagyis csökken a sugara, mint például az autópálya-kijáratok esetébe gyakran előfordul- változatlan sebesség esetén a kifelé irányuló erő, a centrifugális erő növekszik. Ilyen helyzet áll fenn, ha a kanyarból kifelé haladva túl hamar kezdődik meg a gyorsítás, ami ugyanezzel a hatással jár. Ugyanígy a sugár és érintőleges irányú erők rontják a jármű stabilitását, ha a vezető túl erőteljesen fékez a kanyarban.

ESP nélkül gépkocsi: Amikor a jármű a fizikai határtartományban kerül, és először alulkormányzottá válik. A szükséges kormányelfordítás igen gyorsan növekszik. Ezzel egyidejűleg az úszási szög is erősen nő. A vezetőnek még éppen sikerül a körpályán tartani. Azonban amikor instabillá válik a sebesség növekedéssel, a hátulja kitör, a vezetőnek ellen kell kormányoznia, és elhagyja a kört.

Gépkocsi ESP-vel: A vezetőnek sebesség növelésre irányuló akarata azonban nem valósul meg, mert jármű már a stabilitás határán mozog. Az ESP  a motor működésébe beavatkozva korlátozza a hajtónyomatékot. A motor- és fék működésébe történő aktív beavatkozás a jármű alulkormányozottság hajlama ellen hat. Ezáltal kismértékű eltérések adódnak a kijelölt iránytól, amelyeket azomban megfelelő kormánymozdulatokkal korrigál. A vezető tehát a szabályozási kör részévé válik. Az ESP stabil tartományban tartja a jármű haladását.




11. ábra Gyorsítás kanyarban





12. ábra Lassítás kanyarban


iDevice ikon Források